Введение к работе
Актуальность темы. Исследование фазовых переходов в частично разупорядоченных кристаллах представляет собой одну из фундаментальных задач физики твердого тела. С одной стороны, такие исследования позволяют получить необходимую информацию о природе конденсированного состояния, с другой стороны, характерные особенности аномального поведения твердых тел в окрестности точки фазового перехода открывают широкие перспективы при практическом их использовании.
Спектроскопия рассеяния света (более точно - комбинационное рассеяние света) сыграла решающую роль в исследовании сегнетоэлектрических фазовых переходов. Концепция «мягкой моды» была развита для изучения динамики кристаллической решетки в сегнетоэлектрических и родственных соединениях. Классическтш объектами в этих исследованиях стали кислородно-октаэдрические соединения, такие как, например, модельный сегнетоэлектрик ВаТіОз, родственный кристалл с несегнетоэлектричесими переходами SrTKIb, и другие соединения со структурой перовскита АВОз. Однако, большая группа родственных перовскитоподобных соединений с двумя разновалентными ионами, расположенными в А или В позициях структуры перовскита АВ03, демонстрирует принципиально иное поведение кристаллической решетки. Широкая частотно-зависимая аномалия диэлектрического отклика (растянутая на 300 градусов в кристаллах РЫ^1/3№>2/зОз - PMN), гигантская величина диэлектрической проницаемости в широком температурном диапазоне и другие особенности дали основание выделить данные соединения в отдельное семейство, получившее название релаксорных сегнетоэлектриков или сегнетоэлектриков с размытым фазовым переходом. Начиная с пионерских работ Г.А.Смоленского и его сотрудников (одна из первых публикаций относится к 1956 г.), таким соединениям посвящено большое количество исследований, выполненных с использованием различных методов. К настоящему времени накоплен большой фактический материал, преилгущественно по структуре и микроскопическим свойствам, ставший основой для ряда теоретических моделей, начиная с флуктуации состава, суперпараэлектрнков и кончая моделью сферических средних связей - среднего поля. Эти модели в основном не описывали динамик)' кристаллической решетки релаксоров, будучи посвящены статическим свойствам. В то же время, поиск мягких мод в релаксорных сегнетоэлектриках не увенчался успехом. Более того,
природа возникающего низкотемпературного состояния так и остается непонятой. В связи с этим представляет интерес детальное исследование температурной эволюции колебательного спектра релаксорных сегнетоэлектриков с помощью комбинационного рассеяния света (КРС) и неупругого рассеяния нейтронов, особенно в низкочастотной части, где предварительные исследования показали существенные изменения. В последние годы ведутся обширные исследования, направленные на детальное изучение как модельных соединений, таких как PoMgieNbrnCb, РЬБсі/гТаї/гОз, так и новых соединений на их базе. Причем основное внимание привлекают диэлектрические характеристики соединений и их структура. На первый взгляд это неудивительно, если вспомнить, что PbMgiflNb2/303, например, не испытывает макроскопических изменений структуры в области размытого фазового перехода в отсутствии приложенного внешнего электрического поля. Однако, результаты ряда исследований позволяют сделать вывод о существовании сложной эволюции фазовых превращений, которые, несомненно, должны сопровождаться характерными изменениями в колебательном спектре. Предшествовавшие исследования продемонстрировали значительные возможности комбинационного рассеяния света для определения пространственной группы сдожнокомпонентных перовскитов и в изучении динамических аспектов размытых сегнетоэлектрических фазовых переходов.
Поиск механизма, ответственного за возникающее сегнетоэлектрическое состояние при отсутствии мягких мод в колебательном спектре релаксорных сегнетоэлектриков, безусловно, с одной стороны, отражает интерес исследователей к проблеме фазовых переходов в частично разупорядоченных кристаллах, с другой стороны, отвечает требованиям промышленности к созданию новых соединений с гигантской электрострикцией.
Целью диссертационной работы явилось изучение температурной эволюции колебательного спектра релаксорных сегнетоэлектриков с разной степенью и типом разупорядочения на примере соединений PMN, РЬБсщТаї/гОз- PST, Маї/гВії/гТіОз- NBT. Динамика кристаллической решетки менялась при этом от классического «размытого фазового перехода» в PMN, до обычного, сегнетоэлектрического, в упорядоченном PST. Таким образом удавалось компенсировать невозможность создания концентрационных зависимостей целенаправленным изучением влияния разупорядочения на колебательный спектр кристаллов.
Основной целью работы был систематический поиск низкочастотных возбуждений и специфической динаміпси кристаллической решетки релаксорных сегнетоэлектриков в спектрах рассеяния света и нейтронов. Основные положения, выносимые на защиту, и их новизна.
-
В релаксорном сегнетоэлектрике PbMgi/3Nb2/3Q3 в спектрах комбинационного рассеяния света первого порядка выделен дополнительный вклад на несмещенной частоте - "центральный пик", описываемый функцией Лоренца
-
Установлено, что температурная зависимость времени релаксации, полученного из параметров центрального пика, отражает сложную динамику кристаллической решетки PMN: наблюдаются широкая аномалия в области размытого фазового перехода и хорошо определенное резкое изменение в окрестности структурного фазового перехода, реализующегося в окрестности 200 К только при приложенном внешнем электрическом поле
-
Показано, что полученные поляризованные спектры комбинационного рассеяния кристаллов PMN, PST и NBT являются спектрами первого порядка
-
Показано, что в температурных зависимостях параметров и центрального пика и оптических фононов наблюдаются аномалии в области нестабильности кристаллической решетки как, например, в кристаллах PST в окрестности 400 К.
-
Показано, что температурная зависимость центрального пика в кристаллах Nai^Bii/2Ti03 обусловлена в основном критическим рассеянием света на развитых флуктуациях двух связанных параметров порядка.
-
Показано, что форма линии комбинационного рассеяния в релаксорных сегнетоэлектриках определяется в основном динамическим вкладом фононов с различных точек зоны Бриллюэна и не зависит впрямую от степени разупорядочения кристалла.
Основные результаты и выводы в работе являются оригинальными. В работе впервые:
Проведены детальные исследования низкочастотной области спектров комбинационного рассеяния первого порядка релаксорных сегнетоэлектриков, на основании которых выделена дополнительная составляющая на несмещенной частоте (центральный пик)
Исследовалась температурная эволюция центрального пика и ее связь со скрытой динамикой фазовых превращений в релаксорных сегнетоэлектриках
Исследовался динамический вклад фононов с различных точек зоны Бриллюэна в спектры комбинационного рассеяния света релаксорных сегнетоэ лектриков.
Исследовалось влияние разупорядочения на колебательный спектр релаксорного сегнетоэлектрика PST с помощью неупругого рассеяния нейтронов.
Научно-практическая значимость Проведенные в настоящей работе исследования позволяют существенно изменить сложившиеся представления о динамике решетки в окрестности размытого фазового перехода. Изучение температурных зависимостей времени релаксации "центрального пика", параметров жестких мод позволяет показать существование "скрытой" динамики решетки, реализующейся, например, в виде структурного фазового перехода в PMN при приложенном внешнем электрическом поле и подавленном развитыми флуктуациями в отсутствие приложенного поля. Полученные результаты представляют интерес как для разработки новых материалов с подобными свойствами, так и для понимания природы подобных аномалий в других соединениях. Показана несомненная плодотворность предложенного в работе подхода, когда анализируется колебательный спектр соединения, что является развитием идеологии, предложенной В.Л.Гинзбургом и А.П.Леванюком [1]. Апробация работы Результаты работы докладывались на XIV Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (Иваново, 1995), Первом и Втором Международных семинарах по релаксорным сегнетоэлектрикам (Дубна, 1996, 1998), Четвертой международной конференции по наноструктурным материалам (Стокгольм, Швеция, 1998), Шестом семинаре по сегнетоэлектричеству JCBSF-6 — Япония-СНГ/Балтия (Нода, Япония, 1998), на научных семинарах отдела сегнетоэлектричества ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН. Публикации По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии; содержите у рисунков. Полный объем диссертации /// страниц. Список цитируемой литературы насчитывает / 2. У наименований.
